麥秸纖維-聚丙烯復(fù)合材料制造工藝與性能研究.pdf

1、本論文以聚丙烯(PP)為基體物質(zhì)、以麥秸纖維為增強(qiáng)材料，制造麥秸纖維／PP復(fù)合材料，探討了熱磨、改性處理、工藝條件對(duì)麥秸纖維／PP復(fù)合材料性能的影響。 在麥秸纖維的制備過程中，采用中密度纖維板熱磨系統(tǒng)分離麥秸纖維，蒸汽壓力分別為0.4、0.6、0.8、1MPa，磨盤的轉(zhuǎn)速分別為2500和3000rpm，磨盤間隙為O．1和O．05mm，對(duì)麥秸纖維的形態(tài)和化學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，優(yōu)化熱磨條件。對(duì)麥秸纖維進(jìn)行改性處理并試制麥秸纖維／PP復(fù)合

2、材料。處理方法分別為：堿處理(處理劑為NaOH水溶液，其濃度分別為2、4、6、8、10％，溫度為20℃、45℃)，乙酰化處理(處理劑為乙酸酐，處理時(shí)間分別為0.5、1.0、1.5、2.0、3.0、4.0 h)及2％的馬來酸酐接枝聚丙烯(MAPP)改性處理，對(duì)處理前后的麥秸纖維及其麥秸纖維／PP復(fù)合材料的特性進(jìn)行分析，優(yōu)化處理方法和處理工藝。在麥秸纖維／PP復(fù)合材料的制造過程中，工藝條件為麥秸纖維的添加量(10、20、30、40、50％)

3、、MAPP的添加量(1、2、5、10％)和麥秸纖維的尺寸形態(tài)(<9、9-28、28-35、>35目)，對(duì)不同工藝條件下試制的麥秸纖維／PP復(fù)合材料進(jìn)行性能分析。 本研究得到的結(jié)論歸納如下： 1) 隨著蒸汽壓力從0.4MPa提高至1MPa、盤磨轉(zhuǎn)數(shù)從2500rpm提高至3000rpm，細(xì)小纖維所占的比例由66.8％降至51.1％，麥秸纖維的直徑從28.5μm降至23.5μm，長(zhǎng)度為0.30-0.42mm，長(zhǎng)寬比為11.2-

4、17.7，彎曲指數(shù)為0.15-0.17，纏結(jié)指數(shù)為1.54-2.04。麥秸纖維的pH值降至4.4-4.8，呈酸性，酸緩沖容量由42.38降至12.37-15.24，而堿緩沖容量沒有明顯變化。麥秸纖維組成成分中硅含量由5.04％降至1.7-2.2％。當(dāng)麥秸纖維暴露在170℃以上的環(huán)境中時(shí)開始熱解，當(dāng)溫度升高至370℃時(shí)，纖維各組成成分發(fā)生劇烈熱解，尤其以纖維素?zé)峤鉃橥怀觥２捎谜羝麎毫?.8MPa，磨片轉(zhuǎn)數(shù)為2500rpm時(shí)分離得到的麥秸

5、纖維作為麥秸纖維／PP復(fù)合材料的增強(qiáng)材料。 2) 堿化處理能夠溶解掉大量的半纖維素，使得麥秸纖維表面產(chǎn)生細(xì)小孔洞。當(dāng)堿處理溫度由20℃升高至450c時(shí)，重量損失率(WPL，)由26.7％增加至34.6％，當(dāng)NaOH溶液的濃度由2％增加至10％時(shí)，WPL，由34.6％增加至45.0％。乙?；幚砗蚆APP接枝處理均通過酯化作用取代了部分羥基。乙?；幚頃r(shí)，隨著處理時(shí)間從0.5h增加至4h時(shí)，麥秸纖維的酯化增重率從5.3％增加至14

6、.4％。處理前后麥秸纖維在170℃、190℃、210℃和230℃時(shí)等溫1h后的TG圖譜顯示，未經(jīng)預(yù)處理的麥秸纖維的WPL，為6.1％、8.8％、11.6％和19.7％，堿化處理的麥秸纖維的WPL為5.0％、5.6％、6.7％和9.9％，乙酰化處理的麥秸纖維的WPL為2.6％、4.7％、7.3％和15.4％，MAPP預(yù)處理的麥秸纖維的WPL，為4.3％、6.0％、9.3％和16.5％。預(yù)處理有利于提高麥秸纖維的熱穩(wěn)定性。 3) 堿

7、處理和MAPP處理的麥秸纖維，均可提高麥秸纖維／PP復(fù)合材料的拉伸性能，當(dāng)麥秸纖維經(jīng)兩者共同改性處理后，拉伸性能改善最明顯，其拉伸模量、拉伸強(qiáng)度、拉伸斷裂伸長(zhǎng)率分別達(dá)到1491.7MPa、32.24MPa、4.95％。動(dòng)態(tài)力學(xué)性能分析表明，麥秸纖維的加入可以提高麥秸纖維／PP復(fù)合材料的儲(chǔ)能彈性模量(E’)，降低損耗系數(shù)(tanδ)。麥秸纖維分別經(jīng)堿化處理后，在25-150℃的范圍內(nèi)，其復(fù)合材料的E1為2.27-0.37GPa，tanδ為

8、0.038-0.095；經(jīng)MAPP處理后，其復(fù)合材料的E1為2.26-0.34GPa，tanδ為0.038-0.089；經(jīng)乙?；幚砗螅鋸?fù)合材料的E1為2.25-0.37GPa，tanδ為0.041-0.104。差示掃描量熱儀測(cè)試表明，麥秸纖維的加入可以提高麥秸纖維7PP復(fù)合材料的結(jié)晶速率，但結(jié)晶率有所下降。當(dāng)麥秸纖維經(jīng)堿化處理和MAPP接枝處理共同作用后，麥秸纖維／PP復(fù)合材料的結(jié)晶溫度增加至125.70c。熱流變特性研究表明，堿化

9、處理后其復(fù)合材料的粘度最高，為7.2x104pa．s MAPP處理有利于纖維在基體中的均勻分散，復(fù)合材料的粘度降低至3.1×104pa．s。 4) 當(dāng)麥秸纖維添加量從10％增加至30％，麥秸纖維／PP復(fù)合材料的拉伸模量從1215MPa逐漸增加至1986MPa，拉伸強(qiáng)度從29.96MPa逐漸增加至34.31MPa，拉伸斷裂伸長(zhǎng)率從6.36％逐漸降至3.38％。當(dāng)麥秸纖維添加量從10％增加至40％時(shí)，麥秸纖維／PP復(fù)合材料的彎曲模量

10、從1790MPa增加至3437MPa；當(dāng)添加量達(dá)到50％時(shí)，麥秸纖維／PP復(fù)合材料的彎曲模量和拉伸性能均下降。當(dāng)麥秸纖維從10％增加至50％，復(fù)合材料的E'從2.08GPa增加至4.12GPa，tant5從0.039降至0.03，結(jié)晶溫度從120.9℃逐漸增加至126.1℃，但結(jié)晶度從46.9％遞減至31％。此外，麥秸纖維的加入可以增加體系的粘度，在170℃、0.01 s-1時(shí)，當(dāng)麥秸纖維含量從10％增至30％，復(fù)合材料的粘度從7.4x

11、 103Pa．s增加至4.4x 104Pa．s.SEM研究表明：隨著麥秸纖維含量的增加，麥秸纖維在整個(gè)體系中團(tuán)聚現(xiàn)象越來越明顯，分布越來越不均勻，在纖維含量較高(大于30％)時(shí)，麥秸纖維從基體中拔出的現(xiàn)象越來越明顯。 5)當(dāng)MAPP添加量從1％增加至10％，麥秸纖維／PP復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度從30.85MPa增加至34.01MPa，但拉伸斷裂伸長(zhǎng)率有所升高，達(dá)到4.89％；當(dāng)MAPP的添加量為2％時(shí)，麥秸纖維／PP復(fù)合材料的彎曲模

12、量達(dá)到最大，為2138MPa。MAPP可以加速麥秸纖維的成核過程，麥秸纖維7PP復(fù)合材料的結(jié)晶溫度提高了約1℃，結(jié)晶度增加了4-8％。當(dāng)MAPP添加至纖維與基體中后，由于本身具有較高的熔融指數(shù)，其流動(dòng)性能很強(qiáng)，整個(gè)體系的流動(dòng)性能加強(qiáng)，復(fù)合材料的粘度為2.2x104-3.1×104pa．sa隨著溫度和頻率的增加，麥秸纖維／PP復(fù)合材料的粘度降低。 6) 當(dāng)麥秸纖維分別以9-28目、28.35目的形態(tài)添加至PP基體中時(shí)，增強(qiáng)效果較好

13、，麥秸纖維／PP復(fù)合材料的拉伸性能較高，其拉伸模量、拉伸強(qiáng)度、拉伸斷裂伸長(zhǎng)率分別達(dá)到1439MPa、30.51MPa、4.28％和1451MPa、30.36MPa、4.61％。麥秸纖維的形態(tài)與麥秸纖維JPP復(fù)合材料的彎曲模量的變化不呈相關(guān)性。當(dāng)麥秸纖維以小于9目的形態(tài)添加至PP基體中時(shí)，麥秸纖維]PP復(fù)合材料的彎曲模量達(dá)到最大，為2368MPa。麥秸纖維以28.35目的形態(tài)作為增加相，PP的結(jié)晶溫度為122.7℃，同時(shí)結(jié)晶率也最高，為4